石油钻井自动化技术的

摘 要：自动化钻井是当今世界钻井的重大发展方向.自动化钻井的发展方向是闭环钻井.所谓闭环钻井,就是依靠传感器测量钻井过程中的各种参数,依靠计算机与人工智能技术获取数据,并进行解释和发出指令、最终由自动设备按指令进行操作,变成一种无人操作的闭环自动控制系统进行钻井.

关 键 词：石油钻井；自动化；技术探索；

中图分类号：V557+.2文献标识码：A文章编号：1674-3520（2014）-07-00-01

一、为了满足钻井工艺要求,整套钻机必须具备下列各系统和设备

（一）起升系统：起升系统在钻井过程中的主要作用是起下钻具、下套管、悬持钻具和钻头送进等.这套设备由钻井绞车、辅助刹车、游动系统（钢丝绳、天车、游动滑车及大钩）和井架组成.这实质上就是一台重型起重机.另外,还有用于起下钻具操作的井口工具及机械化设备（吊卡、卡瓦、动力大钳、立根移运机构等）.

（二）旋转系统：旋转系统在钻井中的主要作用是带动并中钻具旋转,并带动钻头破碎岩石.旋转系统包括的主要设备有转盘和水龙头.为实现钻头自动给进,现代钻机配备有钻具自动送进装置.钻井过程中,转盘主要完成的工作是：转动井中钻具,传递足够大的扭矩和必要的转速；下套管或起下钻时,承托井中全部套管柱或钻杆柱重量；完成卸钻头、卸扣与处理事故时倒扣、进扣等辅助工作.

水龙头是提升、旋转、循环3大工作机组相交汇的“关节”部件,它的主要作用是：悬持旋转着的钻杆柱,承受大部分以至全部钻具重量；向转动着的钻杆柱内输入高压钻井液.

二、钻机和装备的智能化、自动化

（一）电子/智能钻柱技术：美国Grant公司研制的智能钻杆用铜导线输送电能,可以根据井下硬件用电量大小的要求来确定输电功率的大小.智能钻柱的数据传输速率可达104bDs、105bps和106bps,最大已达1.56*106bps.智能油管用光纤为主.智能钻柱系统在井下采用分布式传感器短节,将微处理器分别安装在传感器内部,然后通过耦合元件将微处理器信号耦合到电力线上,从而传输到地面传感器.该系统采用传输直流电,如井下硬件需用交流电,可在井下硬件上增设逆变器DC/AC.

（二）地质导向钻井：地质导向钻井是以井下实际地质情况和油藏特征来确定和控制井眼轨迹的钻井技术.使用这一技术,可以精确控制井下钻具,命中最佳地质油藏目标,使井眼避开地层界面和地层流体界面并始终位于产层内.地质导向钻井是在井下定向控制自动化钻井系统的基础上将随钻测量仪（MWD）改为随钻测井仪（LWD）,而LWD仅是在MWD的系统中加上若干用于地层评价的参数传感器,如电阻率、自然伽马、方位中子密度、声波、补偿中子密度等.有的随钻测井仪还增加了温度、井底钻压与扭矩、井下动力钻具转速等传感器,使地质导向钻井技术成为具有随钻定向测量、随钻地层评价测井和随钻录井与自动导向钻井的国际高新先进技术.地质导向钻井技术特别适合在薄产层和高倾斜产层中钻水平井.对于这样的产层,使用常规方法控制井眼轨迹很难命中最佳地质目标,而使用随钻定向测量和随钻地层评价测井数据进行地质导向钻井,可以随时知道钻头周围几米范围内的地质油藏特征和钻头与地层界面或地层流体的相对位置,因此可以控制钻具始终在油气藏中间钻进.

地质导向的基本方法是在井设计阶段使用试验井或邻井的测井数据进行计算机模拟,得出新设计井的模拟测井数据以及对将钻各个地层的各种响应.在钻井过程中,将井下随钻测量工具发送到地面的实际测井数据与各个模拟数据相对比,看它们是否一致.如果模拟数据与随钻实测数据一致,就说明井眼命中了最佳地质目标,否则就说明应该按井下实际地质油藏特征修正或改变井眼轨迹.修正或改变井眼轨迹也是靠旋转导向装置来完成的.地质导向钻井技术大大提高了油层钻遇率、钻井成功率和采收率,从而实现了增储上产,节约了钻井成本.

（三）钻机自动化：地面钻机自动化及井下自动化是自动化钻井的两个方面.井下自动化得以实现的必要装置为井下闭环自动控制系统；地面钻机自动化得以实现的必要装置为地面闭环自动控制系统.近年来,针对地面钻机自动化及井下自动化的研究很多,且也取得了实质性的突破.就井下定向方面而言,井下定向控制自动化钻井系统或旋转导向钻井系统由旋转导向装置、钻头及随钻测量仪组成.就旋转导向装置而言,其预设了若干控制指令及井眼设计轨迹数据.若预设设计值与随钻测量仪及近钻头传感器探管测量所得的方位值及井斜值间的差值未在规定范围,则导向装置的电子控制模块将产生对应的控制指令,进而促使3个导向翼板在指令的控制下产生井下缩入或伸出现象.若3个导向翼板的伸出及缩入不一致,则必然产生一个纠斜率,并最终完成井下闭环.此外,随钻测量仪在井下脉冲发生器的协助下把工程参数测量值上传至地面,并经信号处理装置处理后,再经地面主控计算机供操作者予以分析及决策,并在信息下传通道的协助下把决策令传输至导向装置,进而实现“井下→地面→井下”的闭环.

三、结论

实现数字化、信息化、自动化、智能化的钻机.需具备完善的司钻控制系统、钻井参数系统、综合录井系统、远程监控系统、在线监测系统、远程故障诊断系统、钻井专家系统、远程安全应急系统、电、气、液集成控制系统、钻台自动化机具系统、井眼轨迹自动化控制系统、随钻测量系统等.未来的钻机,必将具备远程操作、钻井信息共享、钻井全过程智能化控制功能,从而真正实现远程支持、智能优化钻井.